中国科大、国网安徽电科院、国盛量子等：利用金刚石NV色心进行高压大电流的高精度量子测量 2025-03-22

中国科学技术大学的郭光灿、孙方稳等，联合国网安徽省电力有限公司电力科学研究院、国盛量子、合肥国家实验室等单位组成的研究团队，在集成化固态自旋量子传感器研究和应用方面取得重要进展。研究团队基于金刚石氮-空位（NV）色心在国际上首次研制出一种量子电流互感器，在0 - 1000A量程内能够实现0.05%的交流幅值测量精度，并且能够抑制电流测量中的温度漂移。该量子互感器最终于110kV变电站成功挂网运行，实现了交流电的实时状态监测，验证了量子传感在电力场景中的实用性。该成果3月19日在国际物理学术期刊《APL Photonics》上发表，同时被期刊编辑选中为同期特色文章。

在电力系统中，高压电流测量至关重要，其可靠性和准确性直接关系到高压电流模式控制、节能和电力保护。然而，随着高压或超高压电网的大规模发展，电网的宽带振荡和谐波共振问题日益严重，这些传统测量方法难以在宽电流和温度范围内满足高精度测量的要求。金刚石NV色心展现出诸多卓越特性，使其在磁场传感领域得到了广泛应用，特别是磁场测量可被反演至NV色心能级共振频率测量，使得金刚石传感器在高精度电流测量方面颇具应用前景。但是目前金刚石量子传感器还面临着集成化过程中的性能下降等问题，导致其在实际应用的中存在诸多限制。

朝向集成化量子传感的目标，孙方稳教授团队长期开展金刚石量子传感器件的加工制备研究。团队利用微波等离子体增强化学气相沉积，实现了块状高纯度单晶金刚石的自主成长。通过将块状的金刚石与光纤高效率耦合，实现了18 的温度探测灵敏度，空间分辨率达百微米量级，成功应用于芯片表面的温度分布扫描探测[Review of Scientific Instruments 92，044904(2021)]。进一步在金刚石表面镀一层金属反射膜，不仅提升NV色心荧光的收集效率，同时也能够提升激发效率，利用该光纤耦合金刚石量子探针对集成电路的电流分布特性进行表征[Photonics Research 10, 2199(2022)]。针对光纤耦合金刚石中激发光强度弱、分布不均匀等问题，采用指数函数拟合时间依赖的荧光辐射，提高对NV色心系综量子态的读取信噪比，通过XY8-N 动态去耦量子调控技术，实现8的交流磁场探测灵敏度[Photonics Research 12, 1250-1261 (2024)]。

在以上系列技术突破的基础上，为了解决电流测量难题，本研究工作采用光纤-金刚石传感器进行高压电流测量，四个集成化金刚石量子传感器均匀分布在磁屏蔽环中构成，其[100]晶向与交流磁场平行，以此提高信噪比。研究提出了在零偏置磁场下对荧光信号进行倍频转换和加权平均的处理方法，该方法能够重构50Hz交流电的波形；同时，为了拓宽电流测量动态范围，采用共振频率跟踪方法，保持金刚石传感器对不同大小电流导致磁场变化的敏感性；针对实际应用中系统温度变化影响测量精度的问题，通过双频量子控制方法可抑制温度漂移；最后在0 - 1000A范围内进行电流测量，将测量结果与标准电流互感器进行对比，实现了0.05%的测量精度，非线性误差为0.16%。

该成果最终应用于安徽合肥110kV变电站的电流实时监测，成功实现对三相交流电路中单相电流的实时监测。该工作不仅攻克了金刚石量子传感器的集成化关键技术，而且推动了量子传感技术在工业领域的应用落地。

论文第一作者为中国科学院量子信息重点实验室的特任副研究员张少春，通讯作者为孙方稳教授和陈向东副研究员。该工作得到了科技部、基金委、中国科学院和安徽省的资助。

图1 高压大电流测量实验装置及交流测量方法示意图。

图2：电流测量精度演示。

图3：金刚石量子电流互感器在合肥110kV变电站内的挂网示范应用。此外，

1.6k样本/秒的采样率获取到0.1s内的数据，显示出50Hz、幅值约300A的正弦波形。

论文链接：

https://pubs.aip.org/aip/app/article/10/3/036117/3340124/High-voltage-current-sensing-with-nitrogen-vacancy

主要研究人员介绍： 

郭光灿，中国科学技术大学教授，中国科学院院士，现任中国物理学会常务理事、中国光学学会理事长，长期从事量子光学、量子通信和量子计算的理论和实验研究。在包括Nature子刊（13篇）、Phys. Rev. Lett（31篇）在内的国际学术期刊上发表论文700多篇，他引超过10000次。培养博士80余人，其中5人荣获全国百篇优秀博士论文奖。

孙方稳，中国科学技术大学物理学院教授，中国光学学会光学教育专委会副主任委员。一直从事量子光学和量子信息理论和实验的研究。近年来，围绕微纳尺度量子传感的原理和应用开展研究，实现了纳米级空间分辨率超分辨成像技术，并观察到电磁场的超小超强局域新现象；实现了高空间分辨率高灵敏量子传感技术，发展了基于光纤系统的实用化量子传感器。

张少春，中国科学技术大学物理学博士、中科院量子信息重点实验室特任副研究员，长期从事基于固态自旋的量子精密测量技术研究，发展了基于固态自旋的光纤量子传感器，攻克了基于固态自旋的多参量传感技术，研制了高精度量子电流传感器，多项成果在电力行业获得重要应用。

赵龙，国网安徽电科院电力量子感知实验室主任，中国仪器仪表协会量子电学测量专委会副理事长、中国计量测试学会电磁专委会委员。

赵博文，安徽省国盛量子科技有限公司创始人，董事长、总经理，量子精密测量高级工程师，中国通信学会量子计算委员会委员，中国计量测试学会电磁专业委员会委员。